解讀2016年自然科學(xué)諾獎

來源：中國青年報 2016-10-11 邱晨輝

　　10月初，一年一度的諾貝爾獎大戲上演了。其中備受自然科學(xué)界關(guān)注的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎、物理學(xué)獎和化學(xué)獎，在剛剛過去的國慶節(jié)期間陸續(xù)揭曉。盡管今年這類獎項的榜單上并沒有中國人的名字，卻依然受到國內(nèi)不少科學(xué)人士的關(guān)注，畢竟，每一年自然科學(xué)諾獎的出爐，都不失為是對自然科學(xué)領(lǐng)域佼佼者的一次梳理和表彰，也是向公眾展示人類最前沿探索研究的一次絕佳機(jī)會。

　　那么，今年摘得這些桂冠的獲獎人是誰？他們的研究成果是什么？這些研究對我們未來的生活又有著什么樣的影響？中國青年報·中青在線記者采訪相關(guān)專家對此進(jìn)行解讀。

生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎

　　又是日本人，第23位生于日本的諾獎得主！

　　2016年的第一個諾貝爾獎項，即諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎?wù)浇視裕毡炯?xì)胞生物學(xué)家大隅良典獲得這一殊榮，獲獎理由是表彰他在自噬反應(yīng)（autophagy）領(lǐng)域作出的卓越貢獻(xiàn)。中國青年報·中青在線記者采訪中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會理事、中科院北京基因組所陳科博士，對此進(jìn)行解讀。

　　在陳科看來，自噬反應(yīng)（自我吞噬）就是細(xì)胞吞噬自身細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞器的過程，形象地說，就是“細(xì)胞自己吃自己”。

　　那么，為什么細(xì)胞“需要”吃掉自己？

　　陳科說，這是因為，在一些原因的導(dǎo)致下，有的細(xì)胞已經(jīng)不為人體所需要了——多余，或者有的細(xì)胞被外源微生物“感染”了，變得對人體不利——有害。這些多余的、有害的細(xì)胞成分就需要一個機(jī)制來“消滅”。還有一個原因，細(xì)胞自噬能提供能量，因此在細(xì)胞饑餓時，這一機(jī)制也會啟動。

　　這個機(jī)制，就是“細(xì)胞自噬”，細(xì)胞借此分解無用蛋白，實現(xiàn)細(xì)胞自身的代謝需要和某些細(xì)胞器的更新。

　　別小看這個機(jī)制，一旦沒法充分完成，就可能導(dǎo)致一些疾病，比如帕金森癥、糖尿病以及部分腫瘤的發(fā)生。相應(yīng)地，搞清楚其機(jī)理，生產(chǎn)相應(yīng)的藥物，則有望治愈這些病癥。

　　事實上，這不是有關(guān)“細(xì)胞質(zhì)量控制”研究的第一次獲得諾獎，大隅良典也并非發(fā)現(xiàn)“細(xì)胞自噬”現(xiàn)象的第一人。

　　早在上個世紀(jì)50年代，科學(xué)家就已經(jīng)“看到”了“細(xì)胞自噬”這種現(xiàn)象。當(dāng)時，科研人員觀察到，在一種新型的細(xì)胞器里面，裝有可以降解、消化蛋白質(zhì)的酶，這個酶被稱作“溶酶體”，是細(xì)胞內(nèi)生化成分降解的工作站。1974年，比利時科學(xué)家克里斯汀·德·迪夫因為“溶酶體”的發(fā)現(xiàn)，被授予諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

　　2004年，阿龍·切哈諾沃、阿夫拉姆·赫什科、歐文·羅斯3位科學(xué)家因為“泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解的發(fā)現(xiàn)”而被授予該年度諾獎。不過，這個發(fā)現(xiàn)留下一個尾巴，即現(xiàn)象是發(fā)現(xiàn)了，但機(jī)制卻沒有解釋，即沒有講明白為什么能夠降解？

　　1992年，大隅良典發(fā)現(xiàn)在缺乏營養(yǎng)的情況下，酵母細(xì)胞出現(xiàn)了大量的自噬現(xiàn)象，這也是人類首次在酵母中看到自噬現(xiàn)象。隨后，他進(jìn)一步實驗找到了和自噬有關(guān)的“基因”。至此，和自噬有關(guān)的信號通路才得以被闡明。

　　根據(jù)東京大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)官網(wǎng)的介紹，大隅良典，1945年生于日本福岡，1974年獲東京大學(xué)博士學(xué)位，1974~1977在紐約洛克菲勒大學(xué)——細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)源地——做了3年博士后研究。后來回到日本，從1977年開始，直到1988年都在東京大學(xué)任職，2009年他退休獲得名譽(yù)教授稱號，并于同年擔(dān)任東京工業(yè)大學(xué)綜合研究院特聘教授。

　　10月3日當(dāng)天，東京工業(yè)大學(xué)官網(wǎng)刊發(fā)了一篇關(guān)于大隅良典的報道，這篇報道曾在2012年發(fā)表，其中提到大隅良典說過的一句話：“我們生活在一個和平的世界，如果你想實現(xiàn)偉大的事情，那么你要打破常規(guī)思維模式（think outside the box）。”

　　2013年，湯森路透——作為經(jīng)常預(yù)測年度諾貝爾獎得主的全球知名機(jī)構(gòu)，就在當(dāng)年度給出的預(yù)測中，提及了來自東京工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家大隅良典，可能會由于其在細(xì)胞自噬研究中的貢獻(xiàn)而獲獎。

　　值得一提的是，作為2016年第一個揭曉的諾獎獎項，生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎揭曉后，不少人驚呼：又是日本人！

　　這是繼2012年和2015年以后，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎再次頒發(fā)給日本科學(xué)家。去年，當(dāng)中國人為屠呦呦獲得2015年諾獎生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎而喜出望外時，諾獎官網(wǎng)上關(guān)于2015年諾獎生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的獲獎名單上，還寫著另外兩個人的名字，其中一個就是日本科學(xué)家大村智。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計，大隅良典是第23位出生于日本的諾貝爾獎得主。在陳科看來，獲獎數(shù)量多的背后，和日本政府對基礎(chǔ)研究的重視，以及大力度的資助不無關(guān)系，他們也因此從中收益頗多，除了表面上的諾獎獲獎數(shù)量，還有背后經(jīng)濟(jì)的騰飛，都離不開科技創(chuàng)新的發(fā)展尤其是基礎(chǔ)研究的發(fā)展。

物理獎

　　這項物理研究，中國也走在前面！

　　2016年諾貝爾物理學(xué)獎于北京時間10月4日下午揭曉，大衛(wèi)·索雷思、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特里茲3位科學(xué)家共享這一獎項。

　　對很多科學(xué)的門外漢來說，物理學(xué)的諾貝爾獎獲得者，可能是他們所知道的科學(xué)家里最耳熟能詳?shù)囊慌耍簮垡蛩固埂⒉枴⑵绽士恕⒕永锓蛉恕惽佟⒀Χㄖ@、海森堡，等等。不過，獲得物理學(xué)諾獎的成果，也可能是人們最費解的，至少比起生理學(xué)醫(yī)學(xué)和人類健康息息相關(guān)的研究，物理學(xué)領(lǐng)域的名字聽上去就十分拗口。

　　拓?fù)湎嘧儯吹竭@4個字，很多非科學(xué)人士恐怕會摸不到頭腦。那么，拓?fù)湎嘧兙烤故鞘裁矗敬潍@物理學(xué)諾獎的研究對人類生活意味著什么，中國在這方面的研究又如何？中國青年報·中青在線記者采訪了中科院物理研究所研究員翁紅明。

　　來自諾獎官網(wǎng)的消息稱，這3位2016年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者“打開了一個未知世界的大門”，在那個世界里，物質(zhì)呈現(xiàn)奇怪的狀態(tài)。這3位獲獎?wù)哂靡恍└叩葦?shù)學(xué)方法研究物質(zhì)的不尋常階段或狀態(tài)，如超導(dǎo)體、超流體或薄磁膜，在他們的研究下，人類對物質(zhì)的探索才進(jìn)入了一個新的階段。

　　“這是一項具有開創(chuàng)性的工作。”翁紅明如此評價這項研究，他告訴記者，如今十分熱門的拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘俚妊芯糠较颍际窃谶@項研究的基礎(chǔ)上才得以開展。

　　翁紅明告訴記者，一旦這項研究再往前發(fā)展，就可能實現(xiàn)低能耗的電子傳輸，有望解決當(dāng)前電子器件小型化和多功能化所面臨的能耗問題，這也將給未來的計算機(jī)發(fā)展帶來翻天覆地的變化。

　　那么“拓?fù)湎嘧?rdquo;究竟是什么？可以把這個詞拆開來看，拓?fù)洹⑾嘧儯嘧冞€可以拆為“相”和“變”。“相”通俗地說可以理解為物質(zhì)的形態(tài)，比如固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)，“變”是指變化，“相變”就是物質(zhì)形態(tài)的變化，比如冰融化成水，就是發(fā)生了相變。

　　在科學(xué)界，主流的觀點一度認(rèn)為，對于很薄的物質(zhì)，分子的隨機(jī)運(yùn)動會讓它陷入無序之中，即不會存在“相變”。但在1970年代早期，邁克爾·科斯特里茲和大衛(wèi)·索雷思推翻了這一觀點，他們認(rèn)為，在溫度足夠低的條件下，很薄的物質(zhì)也是會發(fā)生“相變”的。

　　他們將自己證明的“相變”，稱之為“拓?fù)湎嘧?rdquo;，因為這用到了拓?fù)鋵W(xué)來描述。正如諾獎官網(wǎng)所說，3位獲獎?wù)邔⑼負(fù)鋵W(xué)概念應(yīng)用到物理學(xué)，給他們后來的發(fā)現(xiàn)起到了決定性作用。

　　拓?fù)涫且粋€數(shù)學(xué)上的名詞，它研究的是那些“不連續(xù)”的特征，這并不容易理解。在當(dāng)天公布諾獎的發(fā)布會上，諾獎官方的工作人員還舉起了幾塊面包——沒有洞的肉桂卷、一個洞的面包圈和兩個洞的堿水面，充當(dāng)科普工具，來解釋究竟什么是“拓?fù)?rdquo;——在拓?fù)渖希@幾種結(jié)構(gòu)是完全不一樣的，即洞的數(shù)量不同。

　　在1980年代，索雷思提出用tknn數(shù)來標(biāo)識整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，即在一個非常薄的電導(dǎo)層中出現(xiàn)精確的整數(shù)霍爾電導(dǎo)的現(xiàn)象，他證明了這些整數(shù)在本質(zhì)上是具備拓?fù)湫再|(zhì)，且直接對應(yīng)觀測到的整數(shù)量子電導(dǎo)。

　　如今，人們已經(jīng)知道拓?fù)湎嘤泻芏喾N，它們不僅存在于薄層和線狀物，還存在于普通的三維材料中，這就是所謂的新的奇異的世界。

　　當(dāng)天接受媒體記者群訪的鄧肯·霍爾丹，恰巧是翁紅明比較熟悉的一位，翁紅明形容他是一位“非常聰明的”“天才級的”理論物理學(xué)家，做了很多開創(chuàng)性的工作。

　　霍爾丹還提到，他之所以走上研究拓?fù)湎嘧冞@條路，最初的契機(jī)是為了“證明另一個理論是錯的”。

　　在翁紅明看來，一個研究人員，如果沒有挑戰(zhàn)現(xiàn)有理論的勇氣，他的研究很可能構(gòu)不成一個開拓性的發(fā)現(xiàn)，畢竟“不破，不立”。

　　令人欣喜的是，在物理學(xué)領(lǐng)域，尤其是拓?fù)溲芯款I(lǐng)域，中國的表現(xiàn)并不落后。在翁紅明看來，就是說中國物理學(xué)界在國際拓?fù)漕I(lǐng)域處于前沿位置、走在最前面，也并不為過。

　　就在去年，翁紅明所在的中科院物理所方忠、戴希研究團(tuán)隊，就成功在TaAs晶體中發(fā)現(xiàn)了外爾費米子，這是這類特殊的電子第一次展現(xiàn)在科學(xué)家面前。這一研究入選了英國物理學(xué)會主辦的《物理世界》（Physics World）公布“2015年十大突破”，同時也被美國物理學(xué)會的《物理》評為2015年八大亮點工作之一。

　　外爾費米子，就是拓?fù)浒虢饘傺芯糠较虻囊粋€重要課題。

　　在此之前的2013年，我國科研團(tuán)隊獨立實現(xiàn)“量子反常霍爾效應(yīng)”，也是拓?fù)溲芯款I(lǐng)域的一個重要延伸課題。1988年，鄧肯·霍爾丹——就是當(dāng)天的諾獎獲得者，他提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng)，但是多年來一直未能找到實現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)的材料體系和具體物理途徑。

　　在2010年，我國的科研單位率先在該領(lǐng)域取得突破。中科院物理所方忠、戴希研究團(tuán)隊與斯坦福大學(xué)團(tuán)隊合作，從理論與材料設(shè)計上取得了突破，被《科學(xué)》雜志稱作“實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的最佳體系”。2013年，這兩個單位的研究人員和清華大學(xué)的團(tuán)隊，又在極低溫輸運(yùn)測量裝置上觀測到了“量子反常霍爾效應(yīng)”，至此完成了“量子反常霍爾效應(yīng)”的實現(xiàn)，其研究結(jié)果于3月14日在線發(fā)表于美國《科學(xué)》雜志。

　　同一年的4月19日，中科院物理所和清華大學(xué)召開新聞發(fā)布會公布這項成果，當(dāng)時，楊振寧毫不猶豫地將這一成果稱為“這是第一次從中國實驗室里發(fā)表的諾貝爾獎級的物理學(xué)論文”。

　　這項研究叫“量子霍爾效應(yīng)”。在那以前，發(fā)現(xiàn)“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”與“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”的科學(xué)家分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學(xué)獎。而整個“量子霍爾效應(yīng)”家族里，至此仍未被發(fā)現(xiàn)的成員就是“量子反常霍爾效應(yīng)”，也被認(rèn)為是有望沖擊諾貝爾獎的一個研究。

化學(xué)獎

　　諾貝爾化學(xué)獎，終于又頒給了化學(xué)家！

　　2016年諾貝爾獎的最后一個自然科學(xué)獎項——化學(xué)獎終于揭曉。讓·皮埃爾·索維奇、詹姆斯·弗雷澤·斯托達(dá)特、伯納德·費林加，來自法國、美國、荷蘭的3位科學(xué)家分享了這一殊榮。諾獎官方給出的獲獎理由是他們“設(shè)計與合成了分子機(jī)器”。

　　一獲知這一結(jié)果，中科院化學(xué)研究所副研究員、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會理事梁福鑫就在朋友圈轉(zhuǎn)發(fā)了該獎項公布的消息，并寫下一條評論：“回歸化學(xué)！”

　　在他看來，這一次，諾貝爾化學(xué)獎，終于回歸傳統(tǒng)化學(xué)，頒給了純化學(xué)家。

　　所謂“傳統(tǒng)化學(xué)”，在梁福鑫看來，指的是分子合成，以及與分子性質(zhì)有關(guān)的化學(xué)研究，然而在過去的10多年里，諾貝爾化學(xué)獎曾多次頒給生物、生物化學(xué)、生物物理、物理等領(lǐng)域的研究成果及相應(yīng)的科學(xué)家，其中生物的占比最高。他分析，生物方面的研究更為熱門，畢竟，對人類來說，生命健康的重要性是不言而喻的。

　　但他同時提到，搞化學(xué)的人，卻不買這個賬，“并不認(rèn)為這些（生物研究）是真正的化學(xué)問題和成就”。

　　曾有人作過專門統(tǒng)計，進(jìn)入21世紀(jì)，即從2001年開始，在過去已頒發(fā)的15年諾貝爾化學(xué)獎中，與生物相關(guān)的化學(xué)獎就達(dá)10次之多，而有機(jī)化學(xué)等傳統(tǒng)意義上的化學(xué)研究只有5次。也因此，不少傳統(tǒng)化學(xué)領(lǐng)域的研究者或調(diào)侃，或吐槽，每每化學(xué)獎“所頒非人”，便呼吁化學(xué)獎“正常一些”。

　　事實上，化學(xué)獎是眾多諾貝爾獎中最重要的獎項之一，諾貝爾獎的發(fā)起人阿爾弗雷德·諾貝爾本人就是一名化學(xué)家，他的不少發(fā)明和成就，都是以化學(xué)知識為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。根據(jù)諾貝爾的遺愿，諾貝爾化學(xué)獎授予“在化學(xué)領(lǐng)域作出最重大發(fā)現(xiàn)或進(jìn)展的人”。

　　如今，距離1901年諾貝爾獎首次頒發(fā)已經(jīng)過去115年，也是諾貝爾化學(xué)獎獲獎名單的第108次揭曉，這一回，諾貝爾化學(xué)獎終于“正常”了，頒給了“分子機(jī)器”，一個“超分子化學(xué)”領(lǐng)域的命題。

　　那么，獲得今年諾貝爾化學(xué)獎的“分子機(jī)器”究竟是什么？這要從分子說起，分子，人們并不陌生，它是構(gòu)成物質(zhì)的一種基本粒子。

　　而鮮為人知的是，分子本身是具有特定結(jié)構(gòu)的，能夠相互作用，能夠識別，甚至能夠“動”起來。當(dāng)然，要讓它動起來，需要研發(fā)一種機(jī)器——3位化學(xué)諾獎獲得者所做出來的“分子機(jī)器”。

　　根據(jù)諾獎官網(wǎng)的介紹，這是“世界上最小的機(jī)器”，包括一部微型“起重機(jī)”，幾塊人工“肌肉”和微型“馬達(dá)”。

　　它和歷史上的電動馬達(dá)有著很大的相似之處。19世紀(jì)30年代，電動馬達(dá)問世，然而，當(dāng)時的科學(xué)家只能看到，電動馬達(dá)是一堆旋轉(zhuǎn)曲柄和輪子，卻沒意識到這些東西將導(dǎo)致電車、洗衣機(jī)、風(fēng)扇以及食品加工機(jī)的產(chǎn)生，并徹底改變了世界。

　　分子機(jī)器則被認(rèn)為很有可能將在新材料、傳感器以及儲能系統(tǒng)的研發(fā)中得到應(yīng)用。梁福鑫說，對“分子機(jī)器”乃至對整個超分子領(lǐng)域繼續(xù)深入研究，有望實現(xiàn)未來機(jī)械的小尺寸化，例如分子機(jī)器人、高密度信息存儲等。

　　回歸到當(dāng)天的主角，讓·皮埃爾·索維奇、詹姆斯·弗雷澤·斯托達(dá)特、伯納德·費林加，他們是如何將分子機(jī)器造出來的？

　　第一步是將兩個環(huán)狀分子連接在一起。1983年，索維奇實現(xiàn)了這一步，他成功地將兩個環(huán)狀分子連接在一起，形成了一條特殊的鏈，即雙環(huán)化合物，并命名其為“索烴”。

　　一般來說，一個能夠執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器，必須包含可以相對移動的部分，“索烴”正好滿足了這個條件。

　　接下來是第二步，利用一個分子推動另一個分子運(yùn)動。斯托達(dá)特實現(xiàn)了這一點，1991年，他成功合成出了“輪烷”，即將一個環(huán)形分子套在一個線性分子上，如此，環(huán)形分子就能以線性分子為軸，進(jìn)行運(yùn)動。

　　在此基礎(chǔ)上，他設(shè)計出了分子“起重機(jī)”、分子“肌肉”和分子計算芯片。

　　第三步是設(shè)計分子馬達(dá)。費林加就是第一個研究出分子馬達(dá)的人。1999年，他研制出一個分子旋轉(zhuǎn)葉片，能夠朝一個方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)——這個東西就是分子馬達(dá)。

　　在這個基礎(chǔ)上，他成功讓一個玻璃圓筒開始旋轉(zhuǎn)，要知道，這是一個比分子馬達(dá)大上1萬倍的圓筒。后來，他又設(shè)計了一輛納米小車。至此，他將分子由穩(wěn)態(tài)變?yōu)槟軌蜻\(yùn)動的狀態(tài)，并初步實現(xiàn)控制。

　　來自諾獎官網(wǎng)的消息稱，這3位科學(xué)家相當(dāng)于開創(chuàng)了利用超分子自組裝的領(lǐng)域，將分子體系帶出了平衡的僵局，帶進(jìn)了充滿能量的狀態(tài)，在這個狀態(tài)中分子的運(yùn)動可以被控制。

　　而這一切，僅僅就是靠那個“世界上最小的機(jī)器”。它，只有人類頭發(fā)的千分之一那么大。

編輯：苑苑